Теория Ридли-Уоткинса-Хилсума

В физике твердого тела теория Ридли -Уоткинса-Хилсума ( RWH ) объясняет механизм, посредством которого дифференциальное отрицательное сопротивление развивается в объемном твердотельном полупроводниковом материале, когда к выводам образца прикладывается напряжение. ^[1] Это теория, лежащая в основе работы диода Ганна , а также некоторых других микроволновых полупроводниковых устройств, которые практически используются в электронных генераторах для производства микроволновой энергии. Он назван в честь британских физиков Брайана Ридли , ^[2] Тома Уоткинса и Сирила Хилсама , написавших теоретические статьи об этом эффекте в 1961 году.

Отрицательные колебания сопротивления в объемных полупроводниках наблюдались в лаборатории Дж. Б. Ганном в 1962 году ^[3] и поэтому были названы «эффектом Ганна», но физик Герберт Кремер отметил в 1964 году, что наблюдения Ганна можно объяснить теорией RWH. ^[4]

По сути, механизм RWH представляет собой перенос электронов проводимости в полупроводнике из долины с высокой подвижностью в сателлитные долины с меньшей подвижностью и более высокой энергией. Это явление можно наблюдать только в материалах, имеющих такую ​​зонную структуру.

Обычно в проводнике усиление электрического поля приводит к увеличению скорости носителей заряда (обычно электронов) и приводит к увеличению тока в соответствии с законом Ома . Однако в многодолинном полупроводнике более высокая энергия может подтолкнуть носители к более высокоэнергетическому состоянию, где они фактически имеют более высокую эффективную массу и, таким образом, замедляются. Фактически, скорости носителей и ток падают по мере увеличения напряжения. Пока происходит этот перенос, материал демонстрирует уменьшение тока, то есть отрицательное дифференциальное сопротивление. При более высоких напряжениях нормальное увеличение тока в зависимости от напряжения возобновляется, как только большая часть носителей попадает в долину с более высокой энергией и массой. Поэтому отрицательное сопротивление возникает только в ограниченном диапазоне напряжений.

Из типов полупроводниковых материалов, удовлетворяющих этим условиям, арсенид галлия (GaAs) является наиболее широко изученным и используемым. Однако механизмы RWH также можно наблюдать в фосфиде индия (InP), теллуриде кадмия (CdTe), селениде цинка (ZnSe) и арсениде индия (InAs) под действием гидростатического или одноосного давления.

Смотрите также

• Диод Ганна

Рекомендации

1. БК Ридли; ТБ Уоткинс (1961). «Возможность эффектов отрицательного сопротивления в полупроводниках». Труды Физического общества . 78 (2): 293. Бибкод : 1961PPS....78..293R. дои : 10.1088/0370-1328/78/2/315.
2. Ридли, Брайан. «БК Ридли». www.essex.ac.uk . Проверено 3 марта 2015 г.
3. Дж. Б. Ганн (1963). «СВЧ-колебания тока в полупроводниках III-V». Твердотельные коммуникации . 1 (4): 88–91. Бибкод : 1963SSCom...1...88G. дои : 10.1016/0038-1098(63)90041-3.
4. Х. Кремер (1964). «Теория эффекта Ганна». Труды IEEE . 52 (12): 1736. doi :10.1109/proc.1964.3476.

Другие источники

• Ляо, Сэмюэл Ю (1990). Микроволновые устройства и схемы (3-е изд.). Прентис Холл . ISBN 0-13-583204-7.
• Аверков Ю.О. (2001). «Роль эффекта Ридли-Уоткинса-Хилсума в стабилизации миллиметровых и субмиллиметровых поверхностных электромагнитных волн, возбуждаемых электронным лучом, движущимся параллельно поверхности GaAs». Четвертый международный Харьковский симпозиум по физике и технике миллиметровых и субмиллиметровых волн . Том. 1. С. 299–301. дои : 10.1109/MSMW.2001.946832. ISBN 0-7803-6473-2. S2CID  122627167.
• Стерцер, Ф (1971). «Усилители на перенесенных электронах (Ганна) и генераторы для микроволновых приложений». Труды IEEE . 59 (8): 1155–1163. дои : 10.1109/PROC.1971.8361.
• Агамалян, НР; Вартанян, Э.С.; Овсепян, РК (1996). «Фотоэлектрические свойства кристаллов молибдата свинца». Физический статус Солиди А. 157 (2): 421–425. Бибкод : 1996PSSAR.157..421A. дои : 10.1002/pssa.2211570226.
• «Явления/Теории – 1961». Вехи в полупроводниковой науке и технологии . Архивировано из оригинала 22 октября 2009 г.